1、42化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2023年第 43卷第 1期微氧同步产甲烷反硝化系统颗粒污泥形成特性吕姗姗1，2，周 鑫1，2，海 岩1，2，赵瑞强1，2，韩瑞洪1 摘要 采用微氧改良膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器处理高浓度有机含氮废水（COD 4 000 mg/L，NO3-N质量浓度300 mg/L），通过预曝气和逐步缩短水力停留时间（HRT）的方式，经过89 d运行成功培养出具有同步产甲烷反硝化（SMD）功能的颗粒污泥。当HRT为12 h时，甲烷产量可达（9 054.91 261.2）mL/d，同时COD去除率为92.
2、4%1.5%，TN去除率为88.1%3.3%，SMD处理效能最佳。污泥由最初的絮状污泥转变为圆润紧实的大粒径颗粒污泥。污泥胞外聚合物（EPS）分析显示，蛋白质和多糖含量显著增加。三维荧光光谱表征发现，成熟微氧颗粒污泥具有旺盛的EPS分泌和代谢能力。高通量测序证实，成熟颗粒污泥中产甲烷菌和反硝化菌均得到了快速增殖。关键词 微氧颗粒污泥；水力停留时间；产甲烷；反硝化；形成特性 中图分类号 X703 文献标志码 A 文章编号 1006-1878（2023）01-0042-08 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.01.007Formation characteriza
3、tion of granular sludge in a micro-oxygen system for simultaneous methanogenesis and denitrification L Shanshan1，2，ZHOU Xin1，2，HAI Yan1，2，ZHAO Ruiqiang1，2，HAN Ruihong1（1.College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Jinzhong 030600，China；2.Shanxi Innovation Center
4、 for Postgraduate Education of Municipal Engineering，Jinzhong 030600，China）Abstract：A micro-oxygen modified expanded granular sludge bed（EGSB）reactor was used to treat high concentration organic nitrogenous wastewater with 4 000 mg/L of COD and 300 mg/L of NO3-N mass concentration.The granular sludg
5、e with simultaneous methanogenesis and denitrification（SMD）function was successfully developed after 89-day operation through pre-aeration and stepwise reduction of HRT.At an HRT of 12 h，the SMD performance was optimal with the methane production up to（9 054.91 261.2）mL/d，COD removal rate of 92.4%1.
6、5%，and TN removal rate of 88.1%3.3%.The sludge was transformed from original flocculated sludge to fruity and tight large-sized granular sludge.Analysis of sludge extracellular polymer（EPS）shows that the content of protein and polysaccharide increased significantly.Three-dimensional fluorescence spe
7、ctrum（3D-EEM）indicates vigorous EPS secretion and metabolism capacity of the mature microaerobic granular sludge.High-throughput sequencing results confirm the rapid proliferation of both methane-producing and denitrifying bacterial genus in the mature granular sludge.Key words：micro-aerobic granula
8、r sludge；hydraulic retention time（HRT）；methanogenesis；denitrification；formation characteristics 收稿日期 2022-03-18；修订日期 2022-10-20。作者简介 吕姗姗（1995），女，河北省泊头市人，硕士生，电话 19831021362，电邮 LSS。通讯作者：周鑫，电话 13353416195，电邮 。基金项目 国家自然科学基金项目（21607111）；山西省基础研究计划项目（20210302123198）；山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目（20210106）。颗粒污泥技术因有机
9、负荷高、不易发生污泥膨胀、占地小、抗冲击能力强等优势受到国内外研究者广泛关注。上流式厌氧污泥床（UASB）及其变型（膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环（IC）反应器等）由于具有大高径比、高上升流速和强水流剪切力的特性，成为颗粒污泥培养的首选反应器构型1。同步产甲烷反硝化（SMD）是指在厌氧代谢过程中，产酸菌和产甲烷菌将绝大多数有机物转化为甲烷，同时反硝化菌利用部分有机底物将硝酸盐（1.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 晋中 030600；2.山西省市政工程研究生教育创新中心，山西 晋中 030600）43第1期还原为氮气的过程。由于SMD能够同步去除废水中COD和NO3-N并回收生物甲烷
10、，因此在高浓度有机含氮废水处理中具有很好的应用前景2。李晓惠等3进一步证实了厌氧颗粒污泥同步产甲烷反硝化的可行性。KARIM等4在UASB中发现，厌氧颗粒污泥具有产甲烷菌、反硝化菌和兼性厌氧菌共存的结构，对提高同步反硝化产甲烷性能具有重要意义。近年来，微氧消化因具有比厌氧消化更高效的产甲烷性能而成为研究热点5-6。HUSSAIN等7证实，微有氧条件下污泥产甲烷过程能够顺利实现，且系统产甲烷性能高于厌氧条件。进一步研究发现，微氧曝气能增强水解作用并促进兼性微生物快速将有机物分解为短链脂肪酸（乙酸、丙酸等），降低厌氧代谢中间产物对产甲烷菌的抑制，使其产甲烷活性获得极大提高8-10。然而，目前尚未见
11、关于微氧SMD颗粒污泥的培养过程及特性表征的相关研究。本工作采用微氧改良EGSB反应器，通过逐步缩短水力停留时间（HRT）的方式，研究了微氧颗粒污泥的处理性能、形成过程及相关特性，旨在为高浓度有机含氮废水颗粒污泥处理技术提供前期支撑。1 材料和方法1.1 试剂和材料实验用污泥取自某污水处理厂厌氧消化池，MLSS（混合液悬浮固体浓度）为18.7 g/L，具有良好的产甲烷活性，接种体积约占EGSB反应器的47%。实验用废水为模拟废水，碳源、氮源和磷源分别由葡萄糖、硝酸钠、磷酸二氢钾提供，COD、NO3-N、磷酸二氢钾质量浓度分别约为4 000，300，60 mg/L。进水中加入1 mL/L微量元素
12、储备液，主要成分参照文献 11，进水pH控制在7.20.3。实验所用试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。1.2 实验装置和流程反应器采用微氧改良EGSB，通过在传统EGSB内部增加填料区，以提高反应器内生物总量并避免污泥上浮流失，并通过控制反应器为微氧条件促进甲烷产生。反应器为有机玻璃制成，包含反应区和三相分离区两大部分，总有效容积17 L，高度为1.9 m，如图1所示。上部填充聚氨酯海绵填料，填充率为25%，填充高度0.35 m。顶端三相分离器用于气体收集和污泥沉淀。反应器整体采用黑色不透光纸包裹以避光，采用温控器控制温度为（352）。1 进水桶2 进水蠕动泵3 进水管4 污泥区5 填料区6
13、 三相分离器7 出水管8 出水池9 回流泵10 湿式气体流量计11 排泥管12 取样口13 加热装置32111129871065413图1 反应器示意图反应器之前采用60 h的HRT，已稳定运行104 d。本实验通过逐步缩短HRT的方式提高水流剪切力，以促进颗粒污泥快速形成。实验共分为4个阶段：阶段（127 d，HRT 48 h），阶段（2839 d，HRT 24 h），阶段（4073 d，HRT 12 h），阶段（7489 d，HRT 6 h），共运行89 d。实验过程采用进水预曝气方式维持反应器内微氧（DO 0.30.5 mg/L）环境，以促进甲烷产生。1.3 分析方法出水经0.45 m滤
14、膜过滤后采用哈希快速测定仪（DR1900型，美国哈希公司）测定COD、三氮浓度和DO。采用称重法得到水样MLSS、MLVSS（混合液挥发性悬浮固体浓度）、SVI（污泥体积指数）和VSS（挥发性悬浮固体浓度）。采用气相色谱仪（GC5890N型，TCD检测器，OV-101型色谱柱，南京科捷公司）测定气体成分。采用光学体视显微镜（SZM型，贝朗科技公司）和扫描电子显微镜（X-MaxN型，英国Oxford公司）拍摄颗粒污泥照片，参照文献 12 制备颗粒污泥SEM样品。采用苯酚-硫酸法测定颗粒污泥胞外聚合物（EPS）中多糖（PS）含量13，采用Folin-Lowry法测定其中蛋白质含量（PN）14。采用
15、三维荧光光谱仪（3D-EEM）（RF6000型，日本岛津公司）分析颗粒污泥EPS特性，扫描速率12 000 nm/min，激发波长（ex）200550 nm，步长2 nm；发射吕姗姗等.微氧同步产甲烷反硝化系统颗粒污泥形成特性442023年第 43卷化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY波长（em）200550 nm，步长5 nm。设定2 000，5 000，5 000 g的相对离心力将待测污泥样品分别离心15 min，用0.45 m滤膜过滤后依次得到可溶性EPS（S-EPS），松散结合EPS（LB-EPS），紧密结合EPS（TB-E
16、PS）。采用高通量测序平台（Illumina-MiSeq型，生工生物工程（上海）股份有限公司）对反应器初始污泥（第1天）和成熟颗粒污泥（第73天）进行微生物群落分析。2 结果与讨论2.1 反应器运行效果反应器各运行阶段的处理效果详见表1（每天取样一次，取平均值）。随着HRT的不断缩短，有机负荷不断增大，气体产量和甲烷产量呈现快速上升趋势，而COD去除率则呈现逐渐下降趋势，HRT为12 h时COD去除率保持在92%左右，进一步减至6 h时COD去除率显著下降到75%左右。氮去除方面，随着HRT的缩短，NO3-N浓度呈现先相对稳定再有所下降的趋势，但根据其初始浓度可知去除率始终保持在99%以上。出水TN中主要是NH4+-N，说明系统内部发生了异化硝酸盐还原为铵（DNRA）的过程，这在高进水碳氮比废水厌氧处理研究中较为常见15-16。整体而言，在阶段（HRT 12 h），气体组分中甲烷的体积分数为48.9%，甲烷产量达（9 054.91 261.2）mL/d，此时COD去除率达92.4%1.5%，TN去除率达88.1%3.3%，反应器同步产甲烷反硝化性能最佳。若进一步缩短HRT到6 h，虽然
